TWI588904B - Heat treatment method - Google Patents

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Description

熱處理方法
本發明關於一種半導體晶圓的熱處理方法，特別是關於一種單晶矽晶圓的熱處理方法。
熱處理技術被用於各種半導體製程中，已成為基本且重要的技術。例如，對於作為半導體基板來使用的單晶矽晶圓，為了改質結晶品質、擴散雜質、或在表層部分形成薄膜構造等目的，而實施熱處理。
作為用以實施熱處理的熱處理裝置，廣泛使用一種將複數片晶圓隔開預定的間隔並且同時處理這些晶圓的批次式的裝置。特別是，以將晶圓支撐成水平的狀態下將晶圓縱向配置的類型，被稱為縱型爐。又，以接近垂直的角度豎立的狀態下橫向配置的類型，被成為橫型爐。
隨著近年來晶圓的大直徑化，大多採用縱型爐。在熱處理爐內支撐晶圓之支撐構件被稱為晶舟(boat)，一般是採用石英製(石英晶舟)、或在碳化矽(SiC)材料的表面上施行了化學氣相沈積碳化矽覆蓋(CVD-SiC coating，CVD-SiC覆蓋)而成的SiC製晶舟(SiC晶舟)。
特別是在高溫熱處理中，對熱的耐久度高的SiC製的支 撐構件被廣泛使用。雖然支撐構件的形狀有各種形狀，作為縱型爐用的支撐構件，一般是使用下述形狀的支撐構件：利用兩片板狀構件(頂板和底板)，將3根或4根垂直的支柱連結在一起，且在支柱的一部分形成有水平方向的溝。晶圓被載置且支撐於這些溝的水平面上。
被載置於這樣的支撐構件上的單晶矽晶圓，例如在氬氣或氧氣的氛圍下進行熱處理。已知在此熱處理時，從與支撐構件接觸的部分會發生被稱為滑移差排(slip dislocation)的缺陷(參照專利文獻1、專利文獻2)。
[先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2004-241545號公報
專利文獻2：日本特開2005-101161號公報
滑移差排是由於下述原因所形成的缺陷：以單晶矽晶圓接觸到支撐構件時所產生的機械性損傷作為起點，再加上晶圓本身的重量所導致的應力、熱變形時所產生的應力，進一步加上所承受的高溫的熱能，而導致矽結晶構造偏移數公厘到數公分的長度。
在使用了縱型爐的情況下，相較於橫型爐，由於晶圓本身的重量被分散，晶圓面內的熱分布的均勻性也較佳，因此滑移差排有被抑制住的傾向。然而，即便是在使用了縱 型爐的情況下，特別是在使用了SiC製的支撐構件的情況下，有時仍然會發生許多滑移差排。進一步，即便在所使用的支撐構件是基於同樣的設計並製作而成的情況下，各個支撐構件的滑移差排的發生狀況相異，且即便在支撐構件的使用初期沒有發生滑移差排的情況，由於長時間使用，支撐構件也有可能發生滑移差排。
本發明是鑑於前述問題而完成，其目的在於提供一種熱處理方法，其能抑制滑移差排的發生。
為了達成上述目的，依據本發明，可提供一種熱處理方法，其將複數片半導體晶圓各自水平地載置於以碳化矽覆蓋的支撐構件上，並在縱型熱處理爐內實行熱處理，其中，該熱處理方法的特徵在於：將前述支撐構件，在第一條件或第二條件的任一種條件的熱處理中持續使用了特定期間後，在前述第一條件和第二條件中的另一種條件的熱處理中持續使用特定期間，以此方式將前述支撐構件與熱處理條件切換來進行熱處理；並且，前述第一條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有稀有氣體且不含有氧氣之氛圍下進行的熱處理；前述第二條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有氧氣且不含有稀有氣體之氛圍下進行的熱處理。
若是這樣的熱處理方法，能抑制用以載置半導體晶圓之支撐構件的表面的形狀變化，而能以低成本來抑制滑移差排。
此時，較佳的是將稀有氣體設成氬氣。進一步，較 佳的是將第一條件和第二條件的熱處理各自持續的前述特定期間，設成200小時以上且400小時以下。
這麼做的話，能以低成本來確實地抑制滑移差排。
又，較佳是將支撐構件與熱處理條件的切換重複複數次。
這麼做的話，能增加一個支撐構件的使用時間(使用期限)，而能更減少成本。
在本發明中，由於是將支撐構件，在第一條件(1000℃以上，含有稀有氣體且不含有氧氣之氛圍)、或第二條件(1000℃以上，含有氧氣且不含有稀有氣體之氛圍)的任一種條件的高溫熱處理中持續使用了特定期間之後，在前述第一條件和第二條件中的另一種條件的高溫熱處理中持續使用特定期間，以此方式將支撐構件與熱處理條件切換來進行熱處理，因此，能抑制用以載置半導體晶圓之支撐構件的表面的形狀變化，而能以低成本來抑制滑移差排。
10‧‧‧縱型熱處理爐
11‧‧‧反應室
12‧‧‧加熱器
13‧‧‧支撐構件
14‧‧‧氣體導入管
15‧‧‧氣體排氣管
W‧‧‧晶圓
第1圖是能使用本發明的熱處理方法的縱型熱處理爐的一例的概略圖。
第2圖是表示施行了實施例中的氬氣氛圍下的高溫熱處理後的晶圓的滑移量的圖式。
第3圖是表示施行了實施例中的氧氣氛圍下的高溫熱處理後的晶圓的滑移量的圖式。
以下，針對本發明來說明實施方式，但本發明並不限於此實施方式。
在本發明的熱處理方法中，能使用如第1圖所示的縱型熱處理爐。
如第1圖所示，縱型熱處理爐10具有反應室11，在反應室11的內部配置有支撐構件13(晶圓晶舟，wafer boat)。在反應室11的周圍設置有加熱器12。
能將複數片半導體晶圓W各自水平地載置於支撐構件13上。例如，能在構成支撐構件13的支柱的側面，在水平方向形成溝於，並將該溝的下表面設為晶圓支撐面。晶圓支撐面例如能設成：形成於圓柱形的支柱上的半圓形的支撐面、或是形成於方柱(square rod)形狀的支柱上的長方形的支撐面。支撐構件13，至少在此晶圓支撐面上被耐熱性高的碳化矽(SiC)覆蓋，而能防止在熱處理中發生晶圓的金屬污染的情況。SiC例如是以化學氣相沈積(CVD)來覆蓋。
支撐構件13以能從縱型熱處理爐10中取出的方式來設置。因此，可將支撐構件13在載置有晶圓W的狀態下配置於縱型熱處理爐10中，也能將支撐構件13從縱型熱處理爐10中取出。
熱處理時，一邊經由氣體導入管14將氣體導入反應室11，一邊藉由加熱器12來加熱晶圓W。被導入的氣體從上方向下方流動並從氣體排氣管15被排出至外部。
在本發明的熱處理方法的熱處理條件中，有第一條件和 第二條件，且這些條件與所使用的支撐構件13的組合會被決定。具體而言，以下述方式來切換支撐構件與熱處理條件：在第一條件或第二條件的其中一種條件的高溫熱處理中，持續使用了支撐構件13特定期間後，在另一種條件的熱處理中，持續使用支撐構件13特定期間。
此時，在相同的縱型熱處理爐10中，能一邊持續使用相同的支撐構件一邊改變熱處理條件，藉此來切換支撐構件與熱處理條件。或者，能一邊利用相同的熱處理條件持續進行熱處理，一邊將所使用的支撐構件更換成已在其他條件下被使用過的支撐構件，藉此來切換支撐構件與熱處理條件。
像這樣，藉由切換支撐構件與熱處理條件來實行熱處理，能如以下詳述般地抑制滑移差排。
第一條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有稀有氣體且不含有氧氣之氛圍下進行的熱處理。第二條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有氧氣且不含有稀有氣體之氛圍下進行的熱處理。第一條件的氛圍的代表例是氬氣氛圍(Ar氣體100%)。第二條件的氛圍的代表例是氧氣氛圍(O2氣體100%)。
第一條件和第二條件的熱處理溫度若是不到1000℃，由於滑移差排的發生會被抑制，因此無法充分獲得本發明的效果。另一方面，利用設成1350℃以下的溫度，能確實地防止滑移差排大幅地增加因而較佳。
第一條件和第二條件的熱處理各自持續的特定期間雖然沒有特別限制，但是較佳是例如設為200小時以上且400 小時以下。這期間若是200小時以上，能抑制因支撐構件13的更換頻率的增加而導致的成本增加。這期間若是400小時以下，則能更確實地抑制滑移差排。
或者，也可先測量熱處理後的晶圓的滑移差排的量，並將這個量超過預先設定的臨界值為止的期間作為上述特定期間。
此處，針對藉由發明人的研究而變得明瞭的發生滑移差排的原因，詳細地說明如下。
與晶圓接觸的支撐構件的表面狀態，會大幅影響滑移差排的發生。特別是由於施行了CVD-SiC覆蓋的支撐構件的表面較為粗糙，因此若將晶圓載置於支撐構件上，晶圓會在微小的隆起狀部上以點接觸的方式被支撐。因此，被認為晶圓本身的重量所導致的內部應力會局部性地變大，而容易發生滑移差排。
因支撐構件的長期間持續使用而使得滑移差排的發生增加的現象，被認為是因為支撐構件的表面的粗糙形狀變化所引起的。
在一般的熱處理中，將一種高純度的氣體供給到爐內，或是將複數種高純度的氣體混合並供給到爐內。作為用於半導體晶圓的熱處理的代表性的氣體，可以使用氧氣、氮氣、氫氣、氬氣等。到目前為止，因長期間使用而產生的支撐構件表面的形狀變化，一直被認為是與這些氣體種類無關的共通現象。實際上，利用氬氣氛圍和氧氣氛圍進行了熱處理的情況的任一者中，都看到了在各自的支撐構件上的滑移差排 的發生的增加。
然而，發明人在實際地詳細調查熱處理後的支撐構 件的表面狀態後，發現依據氣體種類的不同，表面狀態會產生差異。
原先在被CVD-SiC覆蓋的支撐構件的表面上，存在有尺寸是1~5μm左右的粒塊，粒塊各自呈現尖銳的形狀。像這樣的支撐構件表面，若是在氬氣等的稀有氣體(惰性氣體)氛圍下長時間接受熱處理的話，尖銳的粒塊的前端部分會產生弧度。另一方面，若是在氧氣氛圍下長時間接受熱處理的話，此前端部分會變成更尖銳的形狀。像這樣，在氬氣氛圍與氧氣氛圍下所產生的前端形狀的變化，各自顯示出相反的傾向。
對於此點，滑移差排的發生被認為不管在哪一種氛 圍的情況下都有增加的傾向。乍看之下被認為是互相矛盾，但能如以下般地解釋。
在稀有氣體氛圍下長時間實施熱處理的情況，如上述般，由於在支撐構件表面上的粒塊的前端部分會變得帶有弧度，因此與這個前端部分接觸的接觸面積會增加。因此，晶圓與支撐構件彼此在橫向上偏移時的摩擦會變大。實際上，熱處理中的晶圓會因熱膨脹而相對於支撐構件在橫向上偏移。被認為此時摩擦小的話，兩者會變得平滑地偏移，但若摩擦大的話，到開始偏移為止的橫向的應力增加，且會因為此應力而導致滑移差排增加。
相對於此，在氧氣氛圍下，由於粒塊的前端部分尖銳化，因此每一個點的接觸面積較低而摩擦也較低。然而， 被認為在各接觸點中的因晶圓本身的重量所導致的垂直方向的應力集中增加，且會因為此應力而導致滑移差排增加。
像這樣，滑移差排的惡化機制在稀有氣體氛圍和在氧氣氛圍這兩種氛圍下是不同的，且各自有相反的特徵。
如此一來，若是如本發明般地，切換所使用的支撐構件與熱處理條件來進行熱處理的話，能使支撐構件表面的粒塊的形狀變化，在圓弧形狀與尖銳形狀之間進行切換，換言之，對於表面狀態能產生再生效果。如此一來，基於上述粒塊的形狀變化，能有效地降低滑移差排的發生。若是這樣的方法，只要切換所使用的支撐構件與熱處理條件就能抑制滑移差排，因此與使用新製品來替換支撐構件的情況相比，不但能以低成本來實施，也能提高生產性。
[實施例]
以下，表示本發明的實施例及比較例來更具體地說明本發明，但本發明並不限於這實施例。
(實施例)
依據本發明的熱處理方法，進行單晶矽晶圓的高溫熱處理。使用2個如第1圖所示的縱型熱處理爐，在各自的縱型熱處理爐中，分別進行第一條件的熱處理和第二條件的熱處理。設置在2個縱型熱處理爐中的支撐構件，是設成被CVD-SiC覆蓋的4點支撐型的SiC製且是同一樣式的支撐構件。
第一條件的高溫熱處理是以下述條件來實施：氬氣氛圍、最高溫度是1200℃、最高溫度的保持時間是1小時，且 包含在最高溫度的保持時間前後的升降溫的步驟。第二條件的高溫熱處理是以下述條件來實施：氧氣氛圍、最高溫度是1050℃、最高溫度的保持時間是1小時，且包含在最高溫度的保持時間前後的升降溫的步驟。
第一條件和第二條件的熱處理各自持續300小時 後，將2個縱型熱處理爐之間的支撐構件交換，進一步持續各自進行相同條件的熱處理。並且調查此期間內的滑移差排的發生狀況。作為滑移差排的評價方法，是根據X光繞繞影像來判斷滑移差排，並將晶圓中所含有的滑移差排的機率作為滑移量來加以量化。
在第2圖中表示施行了第一條件的高溫熱處理後的晶圓的滑移量與處理批次數之間的關係。在第3圖中表示施行了第二條件的高溫熱處理後的晶圓的滑移量與處理批次數之間的關係。此外，第2圖、第3圖的橫軸的處理批次數，是設成每個批次都相當於10次熱處理來表示；另外，省略了支撐構件的使用初期的一部分資料，而只表示從滑移差排開始增加的前面一點的時點起的資料。
在第2圖與第3圖的任一者中，都顯示了雖然在支撐構件的使用初期，滑移量少，但是之後，由於持續長時間使用，因此滑移量增加。在第2圖與第3圖中所示的虛線是表示交換了支撐構件的時間點，這個時間點之後，各自的滑移量大幅減少。又，此減少效果在之後也持續了很長的期間。
像這樣，確認了依據本發明的熱處理方法，藉由切換支撐構件與熱處理條件來進行熱處理，能降低滑移差排。
此外，預測在如先前般地不進行切換而繼續使用支撐構件的情況下，滑移差排會更加持續增加。
此外，本發明並不限於上述實施方式。上述實施方式僅為例示，只要是與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想實質上具有相同構成，並能達成同樣作用功效者，無論何者都包含於本發明的技術範圍中。
10‧‧‧縱型熱處理爐
11‧‧‧反應室
12‧‧‧加熱器
13‧‧‧支撐構件
14‧‧‧氣體導入管
15‧‧‧氣體排氣管
W‧‧‧晶圓

Claims (5)

  1. 一種熱處理方法，其將複數片半導體晶圓各自水平地載置於以碳化矽覆蓋的支撐構件上，並在縱型熱處理爐內實行熱處理，其中，該熱處理方法的特徵在於：將前述支撐構件，在第一條件或第二條件的任一種條件的熱處理中持續使用了特定期間後，在前述第一條件和第二條件中的另一種條件的熱處理中持續使用特定期間，以此方式將前述支撐構件與熱處理條件切換來進行熱處理；並且，前述第一條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有稀有氣體且不含有氧氣之氛圍下進行的熱處理；前述第二條件的熱處理，是以1000℃以上的溫度，在含有氧氣且不含有稀有氣體之氛圍下進行的熱處理。
  2. 如請求項1所述的熱處理方法，其中，將前述稀有氣體設成氬氣。
  3. 如請求項1所述的熱處理方法，其中，將前述第一條件和第二條件的熱處理各自持續的前述特定期間，設成200小時以上且400小時以下。
  4. 如請求項2所述的熱處理方法，其中，將前述第一條件和第二條件的熱處理各自持續的前述特定期間，設成200小時以上且400小時以下。
  5. 如請求項1至請求項4中任一項所述的熱處理方法，其中，將前述支撐構件與熱處理條件的切換重複複數次。
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